SE460561B - Apparat foer bestaemning av en vaetskas densitet, densitetstal, koncentration, etc - Google Patents

Description

460 561, 2 X-X i fig. 3; fig. 5 är en sidovy visande en modifierad form av den ljusgenomsläppliga kropp som utgör en väsentlig del av appara- ten enligt uppfinningen; och fig. 6 är en vy liknande fig. 3 men visande en annan utföringsform av uppfinningen.

I fig. 1 och 2 betecknar siffran 1 den vätska som skall under- sökas. Denna vätska har ett brytningsindex n1. Den i vätskan 1 nedsänkta ljusgenomsläppliga kroppen 2 har ett brytningsindex nz, som är större än vätskans 1 brytningsindex n1. Den ljusgenomsläpp- liga kroppen 2 är tillverkad av optiskt glas eller plast eller lik- nande material, och den har ett ljusinlopp 3, ett ljusutlopp 4 och en gränsyta 5 däremellan. Inloppet 3 är vänt mot en ljuskälla 6, och en lins 7 är anbragt mellan inloppet 3 och ljuskällan 6. Ett ljusmottagande element 8 är anbragt mitt emot utloppet 4. Inloppet 3 har ett par av styrytor 9 och 10, medan utloppet 4 likaledes har ett par av styrytor 11 och 12. Kroppen 2 avgränsar sålunda en ljusbana med en reflekterande son och genomsläppande zoner. Det av ljuskällan 6 utsända ljuset omvandlas till parallella strålar vid passagen genom linsen 7, varefter ljuset intränger i kroppen 2 genom inloppet 3 och reflekteras mot gränsytan 5. Det reflekterade ljuset lämnar kroppen 2 genom utloppet 4. Inloppet 3 och utloppet 4 kan vara bildade i ett stycke med kroppen 2. Alternativt kan de utgöra separata organ bildade av en god ljusledare, såsom en optisk fiber, och vara anslutna till kroppen 2. Ljusledarna kan t.ex. vara anordnade mellan inloppet 3 och ljuskällan 6 samt mellan ut- loppet 4 och det ljusmottagande elementet 8. I det sistnämnda fal- let kan kroppen 2 effektivare uppsamla ljuset från ljuskällan 6.

Den ljusgenomsläppliga kroppen 2 har en plan yta 13 i ett område mellan inloppet 3 och utloppet 4 och på avstånd från gräns- ytan 5. Denna plana yta 13 deltager icke direkt i mätningen. Gräns- ytan 5 har en bàgformig kontur som utgör en del av en imaginär cir- kel, vars centrum och radie anges med beteckningarna O respektive R, längs vilken ljuset rör sig till det ljusmottagande elementet 8, och till vilken styrytorna 10 och 12 är tangenter.

Formen av gränsytan 5 är vald på sådant sätt, att man säker- ställer att alla de strålar som förflyttar sig rakt genom inloppet 3 reflekteras effektivt under de föreskrivna betingelserna. Om ljuset L, som rör sig rakt längs styrytan 9, reflekteras i en punkt P på gränsytan 5, så utgör en rät linje mellan centrumpunkten O och punkten P en normallinje M, och ljuset L och normallinjen M avgränsa: i 3 460 561 en infallsvinkel B. Om vinkeln 6 är större än den kritiska vinkeln men mindre än en rät vinkel, så reflekteras ljuset L fullständigt i punkten P. Gränsytan 5 behöver ha sådan bâgformig konfiguration att dessa villkor uppfylles.

Om å andra sidan ljuset L', som rör sig rakt längs styrytan 10, reflekteras i en punkt Q på gränsytan 5, så utgör en rät linje mellan punkterna O och Q en normallinje N, och ljuset L' och normal- linjen N avgränsar en infallsvinkel B'¿ Ljuset L' reflekteras full- ständigt i punkten Q, om infallsvinkeln B' icke är större än en rät vinkel. Formen av gränsytan 5 behöver uppfylla dessa villkor ocksâ.

Detta betyder att alla ljusstrålar mellan ljuset L och ljuset L' reflekteras fullständigt på gränsytan 5 under föreskrivna beting- elser, om gränsytan 5 har en bâgformig kontur som utgör en del av en imaginär cirkel, vilken passerar genom punkterna P och Q.

Normallinjen N och ljuset L' avgränsar en rät vinkel däremellan, och normallinjen N och ljuset L avgränsar också en rät vinkel däremel- lan. Skärningspunkten mellan normallinjen N och ljuset L betecknas med S. Avståndet OS mellan punkterna O och S är lika med R-sinß, och den imaginära cirkelns radie R är lika med avståndet OS mellan punkterna O och S plus tjockleken A av kroppen 2 mellan styrytorna 9 och 10. Radien R kan följaktligen erhållas med hjälp av följande ekvationer (1) och (2).

R = R'sinB + A (1) R = t/(1-sinß) (2) Längden l av bågen ÉÖ mellan punkterna P och Q uttryckes genom följande ekvation: MR-(g--m m där (%~ - ß) är den vinkel som normallinjerna M och N bildar mellan sig vid punkten O.

Uppfinningen beskrives nedan för en ljusgenomsläpplig kropp 2 av glas och en sockerlösning med en koncentration från 0 till ca 65%. Det glas av vilket kroppen 2 är tillverkad har eLt brytnings- index nz av 1,520 vid 20OC, medan en sockerlösning med ep koncentra- tion av 0%, dvs. rent vatten, har ett brytningsindex ni av 1,330 vid zo°c.

Om infallsvinkeln 6 för ljuset L är lika med den kritiska vin- keln, och om tjockleken Å mellan styrytorna 9 och 10 är 3 mm, ut- tryckes den kritiska vinkeln a på följande sätt: 460 561 'V ' 4 Brytningsindex (n ) för en sockerlösning a = sin-1 med en koncentration av'0% Brytningsindex^(n2) för den ljusgenom- släppliga kroppen 1 1,330 = o 1,520 61'O5 Sålunda är a = sin_ Radien R som bestämmer gränsytans 5 bågformiga kontur kan er- hållas ur ekvation (2) på följande sätt. _ 3 _ < R ' 1-sin 61,05 ' ”'01 mm Längden l av bågen mellan punkterna P och Q är följande 2 1 = (90 - 61,05) X 24,o1>< -šåï = 12,13 mm En apparat enligt uppfinningen som är lämpad för bestämning av koncentrationen av en sockerlösning med en koncentration av 0-65% kan sålunda innefatta en bâgformig gränsyta som utgör en del av en imaginär cirkel med en radie av 24,01 mm och har en bâglängd l av 12,13 mm, samt ett ljusinlopp 3 och ett ljusutlopp 4 med en bredd av vardera 3 mm, vilka är anslutna tangentiellt till de motstående ändarna av den bâgformiga gränsytan.

Nedan förklaras hur sockerlösningens koncentration mätes me- delst den ovan beskrivna apparaten.

Den ljusgenomsläppliga kroppens 2 gränsyta 5 bringas i kontakt med, eller nedsänkes i, den vätska 1 som skall undersökas, i före- liggande fall en sockerlösning. Om sockerlösningen har en koncent- ration av O%, kommer alla de ljusstrâlar som utsändes av ljuskällan 6 och rör sig rakt genom inloppet 3 att reflekteras fullständigt mot gränsytan 5 i området mellan punkterna P och Q med en bâglängd šš av 12,13 mm. Det reflekterade ljuset passerar genom utloppet 4 och när det ljusmottagande elementet 8. I detta fall mottages den största mängden reflekterat ljus av elementet B.

När sockerlösningens koncentration ökar, varierar den kritiska vinkeln u, som beror på den ljusgenomsläppliga kroppen 2 och lös- ningens koncentration. Den kritiska vinkeln d ökar med ökning av sockerkoncentrationen i lösningen, och detta resulterar i en grad- vis minskning av den area i delen PQ av gränsytan 5 där ljusets infallsvinkel överstiger den kritiska vinkeln. Gradvis kommer ljuset att bli oförmöget att reflekteras fullständigt, varvid början sker med strålarna nära ljuset L som rör sig rakt längs styrytan 9.

Följaktligen sker en gradvis minskning av den mängd reflekterat r u, “ s 460 561 ljus som mottages av elementet 8. Dessa förändringar visas i nedan- stående tabell 1. Resultaten i denna tabell visar apparatens nog- grannhet, eftersom en förändring av sockerhalten i lösningen medför en stor förändring av den elektromotoriska kraft (mV) som alstras i det ljusmottagande element som svarar på förändringen av socker- halten. I tabell 1 visas sambandet mellan sockerhalten i lösningen och den elektromotoriska kraft (mV) som alstras i det ljusmottagande elementet. Dessa resultat erhölls med en lampa National MB-22N (handelsnamn) med en pâlagd spänning av 2V såsom ljuskälla 6 och en anordning Omron EE-66 (handelsnamn) med en impedans av 150 ohm såsom ljusmottagande element 8.

Tabell 1 Koncentration av rörsocker och elektromotorisk kraft alstrad i ljusnottagande element_(mV, ZOOC) örsök Medelvärde l 2 3 4 5 I medelfel Kon- Centra* 1' 'i Fn D ll9.4 ll9.0 ll9.3 119.1 ll9.4 119.24 1 0.18 9.8 101.2 l0l.5 101.6 l0l.5 101.8 l0l.52 1 0.22 21.2 81.6 82.0 82.1 81.8 82.3 81.96 t 0.27 31.8 65.3 65.1 65.1 64.8 65.2 65.lO 3 0.19 42.0 49.3 49.2 49.3 48.8 48.8 49.08 1 0.26 51.6 33.8 34.2 34.1 33.7 '33.9 33.94 i 0.21 62.7 18.0 18.5 18.2 18.2 18.3 18.24 f 0.18 67.3 11.9 11.8 12.3 12.2 12.0 12.04 i 0i21_ Den ovan beskrivna dimensioneringen av apparaten är baserad på den kritiska vinkel u som erhålles på basis av brytningsindexet (nï) för en sockerlösning med minimal koncentration, dvs. 0%, allt~ så rent vatten. Detta är emellertid icke alltid fallet, utan den ljusgenomsläppliga kroppens dimensionering kan behöva baseras på den kritiska vinkel a som erhålles på basis av det brytningsindex (n2) som motsvarar minimivärdet av det koncentrationsområde som skall mätas. Om bara en speciell koncentration skall mätas, kan 460 564 6 motsvarande brytningsindex (n1) användas såsom bas för dimensionering- en av den ljusgenomsläppliga kroppen.

När apparaten enligt uppfinningen konstrueras och användes pâ ovan beskrivet sätt, säkerställer den en hög noggrannhet vid bestäm- ning av ett okänt koncentrationsvärde, om den elektromotoriska kraft som alstras i det ljusmottagande elementet i förväg har be- stämts för varje koncentrationsvärde som skall bestämmas.

Av ovanstående beskrivning framgår, att apparaten enligt upp- finningen kännetecknas av att den ljusgenomsläppliga kroppen, vilken nedsänkes i eller bringas i kontakt med den vätska som skall under- sökas, har en bâgformig gränsyta med sådan radie R i förhållande till den kritiska vinkeln a, vilken erhålles ur brytningsindexet (nï) för vätskan och brytningsindexet (n2) för den ljusgenomsläpp- liga kroppen, att man erhåller en infallsvinkel ß som möjliggör maximal ljusreflektion på gränsytan. Det ljus som reflekteras mot gränsytan 5 i den i fig. 1 visade apparaten mottages direkt i det ljusmottagande elementet. Enligt en alternativ utföringsform är det möjligt att konstruera apparaten på sådant sätt, att den be- stämmer koncentrationen, etc. av en vätska genom att jämföra det ljus som reflekteras mot gränsytan 5 med det ljus som icke passerar genom den ljusgenomsläppliga kroppen 2, såsom visas i fig. 3 och 4.

I den i fig. 3 och 4 visade apparaten utgöres ljusinloppet av en optisk fiber 14 och ljusutloppet av en optisk fiber 15. Dessa optiska fibrer är förbundna med de motstående ändarna av den ljus- genomsläppliga kroppen 2. Ena änden av den optiska fibern 14 är förbunden med en ljuskälla 6. Ena änden av den optiska fibern 15 är förbunden med en del 16a i ett ljusmottagande element 16. En optisk fiber 17 sträcker sig mellan ljuskällan 6 och en annan del 16b i elementet 16. En ljusreducerande anordning är anbragt fram- för ljuskällan 6 i syfte att korrigera skillnaden i ljusstyrka mel- lan det ljus 18, som passerar genom kroppen 2 under reflektion mot gränsytan 5 och når delen 16a, och det_ljus 19 som passerar direkt från ljuskällan 6 till delen 16b. En vätskas koncentration, etc. bestämmes på basis av den erforderliga korrektionen. Den i fig. 3 och 4 visade apparaten ger en högre grad av noggrannhet vid be- stämning av en vätskas koncentration, densitet, densitetstal, etc.

Den i fig- 5 visade ljusgenomsläppliga kroppen 2 har en gräns- yta 5 med halvcirkulär kontur i ljusets rörelseriktning, och den har därför en kompakt konstruktion.

I» if* 460 561 I fig. 6 visas en modifierad form av den i fig. 3 visade appa- raten. Denna modifierade apparat innefattar ett par av hifljen 21 och 22 placerade ovanpå varandra och på öppningsbart sätt förbund- ., - 7 na med varandra genom ett gångjärn 23. Höljet 22 har ett urtag 24 med en form motsvarande den bågformiga gränsytan 5 på den ljusgenom- släppliga kroppen 2. Detta urtag 24 är avsett att härbärgera den vätska 1 som skall undersökas. I höljet 22 finns ett batteri 25 för tändning av ljuskällan 6 och ett spänningsreglerande organ 26.

Siffran 27 betecknar en anslutningskabel för ljuskällan. Den vätska 1 som skall undersökas hälles i urtaget 24. Denna apparat är bär- bar och har kompakt konstruktion. Även om flera utföringsformer av uppfinningen har beskrivits Ovan, bör det inses att ytterligare modifieringar eller variationer lätt kan göras av fackmannen inom ramen för uppfinningen såsom den definieras i patentkraven. Följande modifieringar är t.ex. möjliga. (1) Hela gränsytan 5 utom arean mellan punkterna P och Q kan behandlas på ett sätt som icke förhindrar ljusreflektionen, t.ex. maskeras eller täckas med en färg, medan endast arean mellan punk- terna P och Q är transparent. Denna utformning bidrager till att förhindra eventuell ytterligare minskning av mängden reflekterat ljus. (2) Även om infallsvinkeln ß mellan ljuset L och normallinjen M är lika med den kritiska vinkeln a i de ovan beskrivna utförings- formerna, är det möjligt att använda en infallsvinkel B som är större än den kritiska vinkeln u. (3) Avståndet mellan styrytorna 9 och 10 i ljusinloppet kan varieras på lämpligt sätt.

Av ovanstående framgår, att apparaten enligt uppfinningen kan användas för noggrann bestämning av en vätskas densitet, densitets- tal, koncentration, etc., eftersom den fullständiga reflektionen av infallande ljus på den bågformiga gränsytan under föreskrivna betingelser till ett minimum nedbringar minskningen i mängden ref~ lekterat ljus och därigenom säkerställer en stor ändring i den ljus- mängd som mottages av det ljusmottagande elementet. Dessutom är apparaten lätt att tillverka.

Claims (11)

46Q, 561 s P a t e n t k r a v

1. Apparat för bestämning av en vätskas densitet, densi- tetstal, koncentration, etc, vilken apparat innefattar en ljusgenomsläpplig kropp (2) med ett ljusinlopp (3), en gränsyta (5) och ett ljusutlopp (4), varvid denna kropp (2) har högre brytningsindex än vätskan och-är avsedd att bringas i kontakt med vätskan, och varvid ljus vid användning av apparaten ut- sändes mot gränsytan (5) och det mot denna gränsyta reflek- terade ljuset mottages av ett ljusmottagande element (8) så att åtminstone endera av egenskaperna densitet, densitetstal, koncentration, etc kan bestämmas på basis av mängden reflek- terat ljus, k ä n n e t e c k n a d a v att gränsytan (5) har en bàgformig kontur med konstant radie, att ljusínloppet (3) innefattar en övre styryta (9) och en undre styryta (10), vilka är anbragta mitt emot varandra och är i huvudsak paral- lella, varvid den undre styrytan (10) är belägen vid ena änden av och tangentiellt i förhållande till gränsytan (5), och att den bågformiga konturens radie är vald på sådant sätt att ljus sonl rör sig rakt fram och parallellt med den övre styrytan (9) träffar gränsytan (5) med en ínfallsvinkel som är större än den kritiska vinkel som bestämmes av vätskan och den ljusgenomsläppliga kroppen (2) och mindre än en rät vinkel.

2. Apparat enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att gränsytan (5) har halvcirkulär kontur.

3. Apparat enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v att gränsytan (5) är maskerad utom på en area nära ljus- ínloppet (3).

4. Apparat enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k - n a d a v att en optisk fiber (14, 15) är anordnad mellan en ljuskälla (6) och ljusínloppet (3) och mellan ljusutloppet (4) och det ljusmottagande elementet (16).

5. Apparat enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k - n a d a v att den ljusgenomsläppliga kroppen (2) är tillver- kad av optiskt glas.

6. Apparat enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k - n a d a v att den ljusgenomsläppliga kroppen (2) är tillver- kad av plast. m, ~ 1 9 460 561

7. Apparat enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att den dessutom innefattar en ljusreducerande anordning (20) anbragt intill en ljuskälla (6) för korrigering av skillnaden i ljusstyrka mellan det ljus (18) som passerar genom den ljus- genomsläppliga kroppen (2) och det ljus (19) som passerar direkt från ljuskällan (6); och en optisk fiber (17) som för- binder den ljusreducerande anordningen (20) och det ljus- mottagande elementet (16).

8. Apparat enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att det ljusmottagande elementet (8) är anordnat att alstra en elektromagnetisk kraft, vars storlek är en funktion av väts- kans densitet, densítetstal, koncentration, etc.

9. Apparat enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att den ljusgenomsläppliga kroppen (2) är anordnad att ned- sänkas i vätskan.

10. Apparat enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d a v att den dessutom innefattar ett par av höljen (21, 22) place- rade ovanpå varandra och pá öppningsbart sätt förbundna med varandra, varvid det optiska systemet är anbragt i det övre höljet (21) och en kraftkälla (25, 26) i det undre höljet (22), vilket även är försett med ett urtag (24) för härbärgerande av vätskan.

11. Apparat enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d a v att urtaget (24) har en kontur motsvarande gränsytans (5) kontur.